木材基先进功能材料的研究

木材具有可再生、质轻、环境友好等特性。然而由于蓬松、强度低、不透明、不导电等固有性质,限制了更多的功能化应用。因此,通过研究新技术、新方法来克服木材本身固有的缺陷,从而使其获得高附加值利用,具有重要的意义。本论文以天然木材为原料,充分利用木材天然而独特的组成成分和微观构造,探索设计了多种不同功能的木材基功能材料。主要实验内容如下:利用木材天然而独特的宏观和微观构造,制备了两种各向异性的透明木材复合材料(R-透明木材和L-透明木材)。结果表明,无论是R-透明木材还是L-透明木材,其天然的纤维素结构都被完好的保留,而带有颜色的木素被脱除,由于细胞腔结构中填满了聚合物,使得两种材料具有极高的透明度,其中R-透明木材的透明度更是高达90%,高于L-透明木材的透明度。另外,在400 nm到800 nm的可见波长范围内,两种透明木材的光学雾度都很大,R-透明木材的雾度高于L-透明木材。两种透明木材的机械性能也有显著差异,L-透明木材的断裂强度和模量约为R-透明木材相应值的2倍。通过往木材细胞腔中浸注熔融的金属,制备了一种各向异性的金属-木材复合功能材料。结果表明,金属-木材复合材料具有高度各向异性的导电和导热性能。在金属阵列的平行和垂直方向上的导电率分别为5.4×10~4 S/m(σ_(//))和4.8×10~(-7) S/m(σ_⊥),赋予了该新型材料优异的各向异性电导系数(σ_(//)/σ_⊥≈1.12×10~(11))。同时,该材料在金属阵列的水平方向和垂直方向也拥有各向异性的导热性,其热导率分别为5.23 W/m·K(κ_(//))和0.29 W/m·K(κ_⊥),各向异性系数为18。因此,该新型材料的各向异性系数远大于目前很多材料和聚合物。此外,与天然木材相比,金属-木材复合材料表现出更强的机械性能。通过一种简单高效的“自上而下”一步化学处理方法,制备了一种具有超级柔软性、生物可降解性和生物相容性的超柔木材。通过研究其结构和组成的变化,阐述了其超级柔性的作用机制。结果表明,超柔木材薄膜具有更好的机械性能,相比原始木材增加了约7倍。同时,木材薄膜的杨氏模量由134 MPa降到116 MPa,而其伸长率从0.4%提高到4.6%,这说明处理后木材变得更加柔软且具有更好的延展性。此外,超柔木材在经历1000次弯曲循环后,仍然表现出优异的耐久性。天然木材的曲率为0.195 mm~(-1),而超柔木材的曲率为16.7 mm~(-1)。由于超柔木材具有的良好生物相容性和独特的三维多孔结构,可以提供足够的空间供细胞生长,使其成为一种非常有前景的用于组织工程的3D生物支架材料。受树木水分蒸腾作用的启发,利用木材独特的天然多孔结构和相互连接的通道结构,设计了一种新型碳纳米管修饰的柔性木材膜(F-Wood/CNTs)作为太阳能蒸汽发生装置。结果表明,在可见光和红外区域,F-Wood/CNTs膜具有极低的透光率(